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Mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland
Romain Trauchessec
To cite this version:
Romain Trauchessec. Mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland. Autre. Université de Lorraine,
2013. Français. �NNT : 2013LORR0234�. �tel-01750528�
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École doctorale EMMA
Collegium Sciences et Technologies
THÈSE
Pour l’obtention du titre de
DOCTEUR de l’UNIVERSITE DE LORRAINE
Spécialité : sciences des matériaux Présentée par :
ROMAIN TRAUCHESSEC
Mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland
Thèse soutenue publiquement le 13 novembre 2013 à Nancy devant le jury composé de :
Rapporteurs :
M. Jean Ambroise Maître de conférences (HDR), INSA de Lyon M. Denis Damidot Professeur, École des mines de Douai
Examinateurs :
Mme Ginette Arliguie Professeur, Université de Toulouse M. André Lecomte, directeur Professeur, Université de Lorraine
M. Jean-Michel Mechling, codirecteur Maître de conférences, Université de Lorraine M. Frank Winnefeld Senior Researcher, EMPA de Dübendorf, Suisse
Invités :
M. André Roux, encadrant Ingénieur R&D, Italcementi Group, Guerville
Institut Jean Lamour (IJL), équipe 207 : Matériaux pour le Génie Civil
IUT Nancy-Brabois Le Montet - rue du Doyen Urion 54601 Villers-lès-Nancy
Université de Lorraine - Pôle M4 : matière, matériaux, métallurgie, mécanique
II
III
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse, Monsieur André Lecomte ainsi que mon codirecteur de thèse, Monsieur Jean-Michel Mechling pour le partage de leurs connaissances sur les matériaux cimentaires, de leur expérience ainsi que pour la chaleur de nos échanges quotidiens qui ont créé une atmosphère et un cadre propices à l’aboutissement de ce travail de recherche attrayant et motivant.
Je remercie Madame Ginette Arliguie d’avoir accepté de présider le jury, Monsieur Jean Ambroise et Monsieur Denis Damidot d’être rapporteurs .
Je remercie également l’ensemble des membres de l’équipe LAPS et le personnel du centre technique du groupe Italcementi, en particulier Monsieur André Roux pour m’avoir si bien accueilli et pour avoir favorisé mon intégration au sein du centre de recherche. Les nombreuses discussions avec Monsieur André Roux ainsi que l’expertise de Monsieur Claude Haehnel, Monsieur Bruno le Rolland et de Monsieur Maurizio Marchi sont pour beaucoup dans l’aboutissement de cette étude.
Je remercie Monsieur Franck Winnefeld d’être présent à ma soutenance, pour ses conseils et son hospitalité lors de ma visite à l’EMPA ainsi que du temps qu’il a consacré à ma formation.
Je remercie, le service du personnel, le secrétariat et les autres enseignants de l’IUT Nancy Brabois qui ont fait en sorte que cette thèse se déroule dans les meilleures conditions possibles. Je remercie tout particulièrement Paul, Laurent et Emmanuel dont le savoir-faire et réparations m’ont souvent rendu service.
J’exprime ma gratitude aux chercheurs, maître de conférences, ingénieurs et techniciens ayant participé ou m’ayant aidé pour la réalisation des essais. Je citerai notamment Madame Cécile Diliberto, Monsieur Jaafar Ghanbadja, Monsieur Pascal Villeger, Monsieur Gouthi Medjahdi, Monsieur Lionel Aranda, Mademoiselle Delphine Alloncle.
Je remercie Florian Morel pour le sérieux et la bonne humeur dont il a fait preuve durant son stage de M1 mais également l’ensemble des stagiaires, alternants, doctorants, post-doctorants avec qui j’ai pu partager mon bureau, un coin de paillasse ou un café, que ce soit au CTG ou à Nancy.
Bien évidemment, je remercie mes parents pour leur soutien (pas seulement
financier) durant ces neuf années d’étude. Je remercie également de tout mon cœur
mon épouse pour son aide inconditionnelle et pour les innombrables voyages de ces
dernières années.
IV
V
Table des matières
REMERCIEMENTS ... III TABLE DES MATIÈRES ... V
INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1
1. PREMIER CHAPITRE : ÉTAT DE L’ART ... 5
Sommaire du chapitre 1 ... 6
Introduction ... 7
1.1. Le ciment Portland ... 8
1.1.1. Historique ... 8
1.1.2. Production ... 10
1.1.3. Hydratation ... 13
1.1.4. Impact du sulfate de calcium ... 16
1.1.5. Impact des ajouts ... 17
1.1.6. Stabilité dimensionnelle ... 19
1.1.7. Bilan ... 20
1.2. Le ciment sulfoalumineux ... 22
1.2.1. Historique ... 22
1.2.2. Production ... 25
1.2.3. Hydratation ... 27
1.2.4. Mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland ... 28
1.2.5. Impact de la nature et de la quantité de sulfate de calcium ... 31
1.2.6. Rapport E/C ... 32
1.2.7. Ajouts ... 34
1.2.8. Mécanisme d’expansion ... 34
1.2.9. Bilan ... 37
1.3. Ettringite et strätlingite ... 39
1.3.1. L’ettringite ... 39
1.3.2. La strätlingite ... 43
1.3.3. Bilan ... 47
1.4. Conclusion et objectifs ... 48
2. DEUXIÈME CHAPITRE : MATÉRIAUX ET MÉTHODES ... 51
Sommaire du chapitre 2 ... 52
VI
Introduction ... 53
2.1. Matériaux ... 54
2.1.1. Ciments Portland ... 54
2.1.2. Clinker sulfoalumineux ... 57
2.1.3. Anhydrite et chaux ... 60
2.2. Formulations ... 62
2.2.1. Choix du pourcentage de ciment Portland ... 62
2.2.2. Choix de la quantité de sulfate de calcium ... 62
2.2.3. Choix de la proportion d’eau ... 65
2.2.4. Bilan ... 66
2.3. Essais sur mortiers ... 68
2.3.1. Résistances ... 68
2.3.2. Stabilité dimensionnelle ... 71
2.3.3. Perméabilité ... 72
2.4. Essais sur pâtes ... 77
2.4.1. Flux de chaleur ... 77
2.4.2. Analyse thermogravimétrique ... 78
2.4.3. Diffraction des rayons X ... 80
2.4.4. Analyse quantitative ... 81
2.4.5. Microscope électronique ... 84
2.4.6. Résonance magnétique nucléaire ... 86
2.4.7. Extraction ... 90
2.5. Modélisation thermodynamique ... 93
2.5.1. Principe ... 93
2.5.2. Mise en œuvre... 96
2.6. Conclusion ... 100
3. TROISIÈME CHAPITRE : IMPACT DU POURCENTAGE DE CIMENT PORTLAND ... 101
Sommaire du chapitre 3 ... 102
Introduction ... 103
3.1. Étude de l’hydratation ... 104
VII
3.1.1. Modélisation de l’hydratation complète ... 104
3.1.2. Calorimétrie ... 107
3.1.3. Analyse thermogravimétrique ... 108
3.1.4. Diffraction des rayons X ... 111
3.1.5. Microscopie électronique ... 112
3.1.6. Résonance magnétique nucléaire ... 114
3.1.7. Solution interstitielle ... 116
3.1.8. Analyse semi-quantitative et modélisation de la cinétique d’hydratation 119 3.2. Étude sur mortiers ... 127
3.2.1. Chaleur d’hydratation ... 127
3.2.2. Résistance ... 128
3.2.3. Stabilité dimensionnelle ... 130
3.2.4. Perméabilité ... 133
3.3. Conclusion ... 142
4. QUATRIÈME CHAPITRE : IMPACT DE LA COMPOSITION DU CIMENT PORTLAND ... 145
Sommaire du chapitre 4 ... 146
Introduction ... 147
4.1. Essais avec divers ciments Portland ... 148
4.1.1. Résistance ... 148
4.1.2. Stabilités dimensionnelle et massique ... 155
4.1.3. Chaleur d’hydratation ... 157
4.1.4. Impact des ajouts ... 157
4.2. Ciment E ... 161
4.2.1. Modélisation ... 162
4.2.2. Calorimétrie ... 164
4.2.3. Analyse thermogravimétrique ... 166
4.2.4. Diffraction des rayons X ... 168
4.2.5. Microscopie électronique ... 171
4.2.6. Solution interstitielle ... 173
4.2.7. Paramètres clés... 175
4.3. Conclusion ... 180
5. CINQUIÈME CHAPITRE : IMPACT DU POURCENTAGE DE CHAUX ET D’ANHYDRITE ... 181
Sommaire du chapitre 5 ... 182
Introduction ... 183
VIII
5.1. Impact de la quantité de chaux ... 184
5.1.1. Modélisation ... 184
5.1.2. Évolution des propriétés ... 185
5.1.3. Hydratation ... 188
5.2. Impact de la quantité d’anhydrite ... 200
5.2.1. Modélisation ... 200
5.2.2. Évolution des propriétés ... 205
5.2.3. Hydratation ... 209
5.3. Conclusion ... 215
CONCLUSION ET PERSPECTIVES ... 217
ANNEXES ... 221
Annexe 1 : Notations ... 221
Annexe 2 : Réactions ... 222
Annexe 3 : Composition des ciments K et L ... 224
Annexe 4 : Structures utilisées ... 225
Annexe 5 : Détermination de la proportion d’amorphe ... 226
Annexe 6 : Analyse semi-quantitative ... 229
Annexe 7 : Résistance pour chaque ciment Portland ... 232
Annexe 8 : Conservation dans l’eau et à 50 % d’humidité relative ... 234
RÉFÉRENCES ... 235
TABLE DES FIGURES ... 247
TABLE DES TABLEAUX ... 254
1
Introduction générale
Le béton est aujourd’hui le matériau de construction le plus utilisé au monde pour la réalisation des ouvrages du génie civil qui façonnent notre environnement. Associé à des armatures métalliques, ce matériau a permis l’élaboration des constructions les plus audacieuses jamais réalisées.
Problématique
La cohésion des granulats contenus dans les bétons actuels est assurée par un liant hydraulique appelé ciment Portland. Lorsque ce ciment est mélangé avec de l’eau, des réactions chimiques induisent la formation d’hydrates permettant la solidification et la montée en résistance du béton. Les travaux de recherches réalisés depuis plus d’un siècle sur ces matériaux ont notamment permis l’optimisation des procédés de fabrication, l’ajustement de la composition des bétons en fonction des conditions d’utilisation (gel, attaque chimiques, etc.) ainsi que la description des mécanismes d’hydratation, de la microstructure et des pathologies de ce liant. Cependant, ce ciment Portland est obtenu par cuisson à haute température d’argile et de calcaire, ce qui génère des émissions importantes de dioxyde de carbone (CO
2).
A l’heure actuelle, le développement durable, la lutte contre le réchauffement climatique et la réduction des émissions de gaz à effet de serre tel que le CO
2constituent des enjeux majeurs de notre société ayant conduit à l’adoption du protocole de Kyoto ratifié par la France. Cet accord international vise à réduire le rejet de gaz à effet de serre et illustre bien l’importance accordée au réchauffement climatique par la communauté internationale.
C’est ainsi que de nombreux travaux de recherche ces dernières décennies tentent
de développer des bétons toujours aussi performants mais dont l’impact
environnemental est moindre. Dans ce contexte, le ciment Portland est par exemple
de plus en plus substitué par des matériaux pouzzolaniques tel que le laitier de haut
fourneau. Une autre alternative possible est l’utilisation de bétons à base de ciments
sulfoalumineux car leur production émet moins de dioxyde de carbone que celle du
ciment Portland traditionnellement utilisé. De plus, ces ciments sulfoalumineux
présentent une vitesse de prise et une montée en résistance pouvant être plus
rapide que le ciment Portland, ce qui peut constituer un avantage dans de
nombreuses applications. Néanmoins, les faibles quantités produites de ciment
sulfoalumineux, actuellement, augmentent les coûts de production de ce produit de
spécialité. De plus, la bauxite ou les autres sources d’aluminium utilisées comme
matières premières sont généralement moins abondantes et plus onéreuses que le
calcaire ou les argiles.
2 Il est cependant possible d’utiliser des mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland, plus économiques, et qui permettent surtout de moduler certaines propriétés des bétons notamment aux jeunes âges. Ainsi, des mélanges font prise plusieurs heures après gâchage et sont dimensionnellement stables, alors que d’autres durcissent en une dizaine de minutes et sont expansifs. Comparée à l’utilisation du ciment Portland seul, celle de ces mélanges a également l’avantage de réduire substantiellement les émissions de CO
2.
Les ciments sulfoalumineux et Portland sont deux liants hydrauliques très différents qui n’ont pas la même composition, la même réactivité, et qui ne conduisent pas à la formation des mêmes hydrates. Le pourcentage de chaque ciment (sulfoalumineux et Portland) et le type de ciment utilisé (sulfoalumineux ou sulfoalumineux-bélitique, CEM I ou CEM II) jouent également un rôle important. Ainsi, pour contrôler les propriétés des liants hydratés ainsi que leurs évolutions, il est indispensable de bien connaître et de maîtriser les mécanismes d’hydratation de ces mélanges.
Contexte et objectifs de l’étude
L’étude de l’hydratation et des propriétés des ciments sulfoalumineux seuls ou mélangés à des ciments Portland est à l’origine d’une collaboration entre le Centre Technique du Groupe (CTG) Italcementi et l’Équipe Matériaux pour le Génie Civil de l’Institut Jean Lamour à l’Université de Lorraine. Elle a fait l’objet d’un stage de master réalisé en 2009 et de la présente thèse, débutée en octobre 2010.
Les travaux réalisés entre le CTG à Guerville et l’Équipe Matériaux pour le Génie Civil, ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’hydratation de plusieurs mélanges et d’identifier les paramètres clés pouvant influencer la vitesse de durcissement.
La thèse a pour but principal de cerner les facteurs conduisant à deux phénomènes observés industriellement sur l’évolution des résistances mécaniques de certains mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland : d’une part, une stagnation des performances mécaniques à moyen terme (durant les premières semaines) et d’autre part, une variation de la vitesse de durcissement selon la composition du ciment Portland utilisé.
Le premier chapitre de cette thèse présente les deux types de liants hydrauliques utilisés dans cette étude. Il permet notamment de faire le point sur les connaissances actuelles de l’hydratation des ciments sulfoalumineux et de leurs mélanges à des ciments Portland. Les caractéristiques de deux des principaux hydrates formés dans ces mélanges (ettringite et strätlingite) sont également présentées.
Le deuxième chapitre décrit la composition du clinker sulfoalumineux, de l’anhydrite
et des ciments Portland sélectionnés ainsi que le choix des formulations utilisées
3 (pourcentage de ciment Portland, proportion de sulfate de calcium et quantité d’eau).
La fin de ce deuxième chapitre présente les modes opératoires et les techniques de caractérisation utilisées durant la thèse.
Le troisième chapitre fait l’objet de l’étude de l’impact du pourcentage de ciment Portland sur l’hydratation et les propriétés (résistance, stabilité dimensionnelle, perméabilité) de trois formulations contenant différentes proportions de ciment sulfoalumineux et de ciment Portland.
Le quatrième chapitre étudie les performances mécaniques de deux mélanges dans lesquels la composition du ciment Portland est modifiée. Pour ce faire, neuf ciments Portland provenant de diverses cimenteries sont utilisés. L’étude de l’hydratation de l’un de ces mélanges a permis de mettre en évidence le rôle de la chaux libre.
Enfin, le cinquième chapitre montre l’effet de la quantité de deux constituants : la
chaux et le sulfate de calcium, pouvant être utilisés comme leviers pour ajuster les
propriétés d’un mélange de ciment sulfoalumineux et de ciment Portland.
4
5
1.
Premier chapitre :
État de l’art
6 Sommaire du chapitre 1
Introduction 7
1.1 Le ciment Portland 8
1.1.1. Historique 8
1.1.2. Production 10
1.1.3. Hydratation 13
1.1.4. Impact du sulfate de calcium 16
1.1.5. Impact des ajouts 17
1.1.6. Stabilité dimensionnelle 19
1.1.7. Bilan 20
1.2. Le ciment sulfoalumineux 22
1.2.1. Historique 22
1.2.2. Production 26
1.2.3. Hydratation 27
1.2.4. Mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland 28
1.2.5. Impact de la nature et de la quantité de sulfate de calcium 31
1.2.6. Rapport E/C 32
1.2.7. Ajouts 34
1.2.8. Mécanisme d’expansion 34
1.2.9. Bilan 37
1.3. Ettringite et strätlingite 39
1.3.1. L’ettringite 39
1.3.2. La strätlingite 43
1.3.3. Bilan 47
1.4. Conclusion et objectifs 48
7 Introduction
Les travaux de recherches présentés dans cette thèse concernent les mélanges de deux liants hydrauliques, le ciment Portland et le ciment sulfoalumineux.
Le ciment Portland, étudié depuis plus d’un siècle, est décrit par une littérature vaste qu’il s’agisse d’études relatives à sa fabrication, son utilisation ou sa durabilité. Le but de la première partie de ce chapitre (1.1.) n’est pas d’être exhaustif quant aux connaissances liées au ciment Portland mais uniquement de présenter les principales caractéristiques de ce liant.
Le ciment sulfoalumineux, l’autre liant hydraulique utilisé dans les mélanges, est comparé au ciment Portland dans la deuxième partie de ce chapitre (1.2.). Bien que l’utilisation du ciment sulfoalumineux soit plus récente que celle du ciment Portland, il existe d’ores et déjà un nombre important d’articles scientifiques, de thèses ou de livres traitant de ses propriétés.
Après la présentation des propriétés des deux liants hydrauliques utilisés, la dernière partie de ce chapitre est consacrée à la description de la structure et des conditions de formation de deux des principaux hydrates formés lors de l’hydratation du ciment sulfoalumineux (1.3.) : l’ettringite et la strätlingite.
Les notations et symboles utilisés dans cette étude sont détaillés dans l’annexe 1.
8 1.1. Le ciment Portland
Cette première partie est constituée d’un historique (1.1.1.) ainsi que de la description de la production (1.1.2.) et de l’hydratation (1.1.3.) du ciment Portland.
Cette présentation est complétée par l’étude, d’une part de l’impact de la quantité de sulfate de calcium (1.1.4.), utilisée pour réguler la vitesse de prise et d’autre part, de l’effet des ajouts (1.1.5.) permettant de valoriser des produits industriels et de réduire l’impact environnemental. Enfin, la stabilité dimensionnelle (1.1.6.) des liants à base de ciment Portland est discutée.
1.1.1. Historique
Durant l’Antiquité, des monuments ont été construits à l’aide de chaux obtenue par cuisson du calcaire et extinction de la chaux vive formée avec de l’eau. Les Romains ont également conçu des mortiers capables de durcir sous l’eau (i.e. liant hydraulique) en mélangeant des cendres volcaniques de Pouzzoles ou des fragments de brique pilée avec de la chaux (réaction pouzzolanique).
L’hydraulicité (capacité d’un liant à s’hydrater et à durcir en présence d’eau) n’a été étudiée et comprise qu’au début du XIX
èmesiècle, à la suite des travaux de Louis Vicat (1786-1861), qui a réalisé des ciments « artificiels » après cuisson d’un mélange de calcaire et de silice. A la même époque que Louis Vicat, l'Écossais Joseph Aspdin a déposé un brevet pour un ciment qu’il a appelé Portland en 1824 (Aspdin, 1824). Les toutes premières usines de ciment Portland ont alors vu le jour durant la première moitié du XIX
èmesiècle.
Viaduc de Millau (France) Barrage des Trois-Gorges (Chine)
Le plus haut viaduc du monde présente des piles de plus de 200 mètres de hauteur .
Le plus grand barrage du monde fait près de 140 mètres de hauteur et 2,3 kilomètres de
long.
Figures 1. Exemples d'ouvrages en béton
Durant la fin du XIX
èmesiècle, la combinaison d’armatures métalliques (béton armé)
et du béton a permis d’allier les performances mécaniques du béton en compression
9 et de l’acier en traction. Enfin, durant le XX
èmesiècle, le développement d’adjuvants (retardateur, plastifiant, superplastifiant, accélérateur de prise, etc.) a permis de moduler la rhéologie et les propriétés des bétons. Ces avancées technologiques ont rendu possible la construction d’ouvrages aux dimensions et aux formes absolument vertigineuses (figure 1).
En 2011, plus de 160 ans après la synthèse des premiers ciments Portland, la production annuelle dans l’Union Européenne de ciment était de 196 millions de tonnes (tableau 1), soit près de 5 % de la production mondiale (3 600 millions de tonnes). Depuis 10 ans, la production de ciment en Europe et en Amérique du Nord stagne, alors qu’elle augmente très fortement dans les pays émergents (Chine, Inde, Turquie).
Production* annuelle de ciment des principaux producteurs (millions de tonnes)
2001 2005 2008 2009 2010 2011 2012 p
Chine 661 1069 1388 1644 1882 2063 2137
Inde 103 143 183 187 214 224 239
Union Européenne 226 248 252 201 191 196 156
États-Unis 89 99 86 64 66 67 73
Brésil 39 39 52 52 59 63 68
Turquie 30 43 51 54 63 63 64
Russie 29 49 54 44 50 56 53
Japon 76 69 63 55 52 52 55
République de Corée 52 47 52 50 47 48 51
Arabie Saoudite 20 26 37 38 43 48 47 e
Indonésie 31 34 39 37 40 45 54
Mexique 31 36 38 37 39 40 42
Allemagne 32 31 34 30 30 34 32
Italie 40 46 43 36 34 33 26
France 19 21 21 18 18 19 18
Canada 12 14 14 11 12 12 13
Argentine 6 8 10 9 10 12 11
Afrique du Sud 8 12 13 12 11 11 14
Australie 7 9 10 9 9 10 10 e
Royaume-Uni 12 12 11 8 8 9 8
Tableau 1. Production annuelle de ciment des principaux pays producteur (millions tonnes) d’après les données du rapport d’activité 2012 de Cembureau
1La consommation annuelle de ciment dans le monde en 2011 était donc de l’ordre de 500 kg par an et par personne (3 600 million de tonnes pour 7 milliards d’individus).
Ce ciment est utilisé pour la fabrication du béton permettant la réalisation des ouvrages du génie civil. Un mètre cube de béton ordinaire contient en moyenne 250
1 * : Production de ciment comprenant le ciment produit avec le clinker importé.
p : Chiffres préliminaires – e : Estimation
10 à 400 kg de ciment, 170 à 200 litres d’eau et des granulats (sable et gravillons). En moyenne, chaque individu utilise donc un peu plus de 1 m
3de béton par an.
Les granulats contenus dans le béton ont un coût et un impact environnemental uniquement liés à leur extraction, au transport et à la réhabilitation des carrières.
Directement extraits des carrières, ils ne nécessitent presque aucune transformation (concassage éventuelle) et sont généralement utilisés localement. Leur impact environnemental est donc relativement modéré.
Le ciment Portland est, quant à lui, produit (1.1.2) dans une cimenterie à partir du mélange de clinker, d’ajouts (régulateur de prise, calcaire, etc.) et d’additifs (agent de moutures, réducteur de chrome VI, etc.). Le clinker est obtenu à partir de calcaire et d’argile, dont la cuisson à haute température est onéreuse et rejette des quantités importantes de dioxyde de carbone.
1.1.2. Production
Comme l’illustre la photographie d’une cimenterie ci-dessous (figure 2), la fabrication du ciment Portland peut être, de manière schématique, divisée en trois grandes étapes : la préparation des matières premières, la cuisson permettant d’obtenir le clinker, et le traitement du clinker à partir duquel le ciment est obtenu :
1. Préparation des matières premières Un mélange d’argile (20 %) et de calcaire (80 %) est séché, broyé, homogénéisé et préchauffé à 800 °C. Environ une tonne et demie de matières
premières est utilisée pour la production d’une tonne de ciment.
3. Traitement du clinker
Le clinker est broyé finement avec des ajouts (gypse, calcaire, cendres, laitiers, etc.), dont les propriétés et les quantités déterminent la qualité du ciment.
2. Cuisson
La cuisson a lieu dans un four rotatif à 1450 °C.
On obtient ainsi le clinker.
Figure 2. Cimenterie de Calusco d’Adda, Italie. Italcementi Group
Le clinker Portland ainsi obtenu est principalement constitué d’alite (≈ 60 %, C
3S), de
bélite (≈ 20 %, C
2S), d’aluminate tricalcique (≈ 5 à 15 %, C
3A) et d'alumino-ferrite
tétracalcique (≈ 0 à 15 %, C
4AF ou brownmillerite). Le clinker est également
composé de quelques pourcents de sulfates alcalins, de chaux libre ou encore de
périclase.
11 Remarque : C
3S, C
2S, C
3A et C
4AF correspondent à la notation simplifiée des composés selon la notation cimentière (annexe 1).
Lors de la production du ciment, les émissions de CO
2sont causées, pour les deux tiers, par la décarbonatation du calcaire à plus de 800 °C (CaCO
3 CaO + CO
2) et, pour le tiers restant, par la combustion des matières fossiles permettant de chauffer le four à 1450 °C. Pour la fabrication d’un kilogramme de clinker, la décarbonatation est à elle seule responsable de l’émission d’environ 0,53 kg de CO
2(Pardo et al., 2011).
Le broyage (du cru et du clinker) mais surtout la cuisson sont les deux étapes de la fabrication du ciment qui entraînent la consommation d’énergie la plus importante. Le procédé de fabrication par la voie sèche (en opposition à la voie humide) est le procédé qui est privilégié aujourd’hui car il consomme moins d’énergie.
Afin de réduire l’impact environnemental et le coût de production des ciments ou d’ajuster les propriétés du liant, le ciment Portland peut être mélangé avec des ajouts permettant de valoriser des produits naturels (pouzzolanes naturelles ou calcaire) ou des sous-produits industriels (laitier de haut fourneau ou cendres volantes). Ces ajouts peuvent être mélangés au clinker (NF EN 197-1) ou bien lors de la fabrication des bétons (NF EN 206-1).
Ces ajouts au clinker Portland modifient le type de ciment au sens de la norme NF EN 197-1. En Europe, il existe ainsi cinq types de ciment :
- le CEM I (ciment Portland) qui est constitué de plus de 95 % de clinker ;
- les CEM II (A ou B) qui contiennent une proportion moindre de clinker (respectivement 80-94 % et 65-79 %) et un complément d’ajout qui peut être du laitier de haut fourneau (S), de la fumée de silice (D), des pouzzolanes naturelles (P) ou artificielles (Q), des cendres volantes siliceuses (V) ou calciques (W), du schiste calciné (T) ou du calcaire (L et LLL). Lorsque ces ajouts sont mélangés au clinker, on parle de ciment Portland composé ;
- les CEM III (A, B, ou C, ciment de haut fourneau) qui contiennent encore moins de clinker (respectivement entre 35 et 64 %, entre 20 et 34 % et entre 5 et 19 %). Le complément est un laitier de haut fourneau ;
- les CEM IV (A ou B, ciment pouzzolanique) qui contiennent moins de clinker (respectivement entre 65 et 89 % et entre 45 et 64 %) et un complément qui ne peut être que des pouzzolanes : de la fumée de silice, des pouzzolanes naturelles ou artificielles, des cendres volantes siliceuses ou calciques ;
- les CEM V (A ou B, ciment composé) contiennent également moins de clinker
(respectivement de 40 à 64 % et de 20 de 38 %) et un complément de laitier de haut
fourneau et de pouzzolanes (pouzzolanes naturelles ou artificielles et des cendres
volantes siliceuses).
12 Comme le montre la figure 3, la majeure partie (près de 60 %) du ciment Portland consommée en Europe est un ciment de type CEM II. Ce phénomène s’est amplifié ces dix dernières années.
Figure 3. Type de ciment Portland consommé en Europe
2depuis 2000 (en pourcent), Cembureau publication, Cements for a low-carbon Europe, January 2013
Chacun de ces ciments comporte aussi 5 % de constituants secondaires, qui peuvent être un de ces ajouts ou un filler (laitiers, calcaire, etc.). Les ciments contiennent également quelques pourcents d’un régulateur de prise (sulfate de calcium) et moins d’un pourcent d’additifs, tels qu’un agent de mouture ou encore un réducteur de chrome VI.
Pour l’ensemble de ces ciments, les propriétés des liants (mécanique, composition chimique, etc.) doivent répondre à certaines exigences. Les ciments sont alors labélisés selon les normes européennes. La résistance en compression sur mortiers normalisé à 28 jours (NF EN 196-1) est un des critères importants permettant de classer les ciments (tableau 2 : classes 32,5, 42,5 et 52,5). En complément de la classe de résistance à 28 jours, les lettres N ou R indiquent si le ciment présente une résistance élevée (R) ou normale (N) à court terme (2 jours ou 7 jours).
Classe Résistance (MPa)
2 jours 7 jours 28 jours
32,5 N - ≥ 16 ≥ 32,5 ≤ 52,5
32,5 R ≥ 10 -
42,5 N ≥ 10 - ≥ 42,5 ≤ 62,5
42,5 R ≥ 20 -
52,5 N ≥ 20 - ≥ 52,5
52,5 R ≥ 30 -
Tableau 2. Classes de résistances
2 Les valeurs ne prennent pas en compte la Slovaquie, Chypre et Malte. Pour l’année 2008 les données n’incluent pas la Bulgarie, le Dannemark, la France et la Pologne
13 En France, la désignation des ciments indique également des caractéristiques complémentaires :
- ES ou PM : pour des ciments contenant moins de C
3A et de sulfates. Ces ciments sont alors destinés aux milieux agressifs (ES : eaux à haute teneur sulfatée et PM : eaux riche en chlorures) ;
- CP : signifie que la teneur en ions sulfures est limitée pour la fabrication de bétons précontraints ;
- LH : ciment à faible dégagement de chaleur utilisé par exemple pour la fabrication d’ouvrages massifs.
Par exemple, le ciment désigné par les symboles CEM II/B-M (S-L) 42,5 R CE CP2 NF est un ciment contenant au moins 65 % de clinker (CEM II/B) et un mélange de laitiers de haut fourneau (S) et de calcaire (L). La résistance sur mortiers à 2 jours doit être supérieure à 20 MPa et comprise entre 42,5 et 62,5 MPa à 28 jours (42,5 R). Ce ciment répond aux exigences de la réglementation européenne (CE), des normes françaises (NF) et peut être utilisé pour la fabrication de béton précontraint (CP2).
Outre la réduction des émissions de CO
2, les ajouts modifient la composition des ciments ce qui peut permettre de modifier certaines propriétés du ciment Portland telles que la durabilité (résistance à des attaques chimiques).
Après la description des réactions d’hydratation du ciment Portland (1.1.3 et 1.1.4.), il sera discuté de l’impact des ajouts sur l’hydratation (1.1.5.).
1.1.3. Hydratation
Bien qu’étudiés depuis plusieurs décennies, les mécanismes réactionnels qui se produisent dans les ciments sont particulièrement complexes et ne sont à l’heure actuelle pas encore complètement connus (Bullard et al., 2011). Cette complexité résulte du nombre important de composés présents (anhydres et hydratés) et des divers mécanismes réactionnels entrant en jeux durant le processus de durcissement (dissolution des anhydres, nucléation et croissance des hydrates, diffusion des ions dans les pores ou encore adsorption de composés).
Lors du mélange de l’eau avec le ciment, les composés anhydres du clinker qui sont
solubles se dissolvent et enrichissent la solution en ions (principalement calcium,
silicium, aluminium et soufre). Lorsque celle-ci est sursaturée, des hydrates moins
solubles que le clinker précipitent et sont en équilibre thermodynamique avec la
solution interstitielle. Ces réactions sont dites hétérogènes car elles ont lieu dans
deux milieux distincts : un milieu liquide (l’eau) et un milieu solide (les hydrates). Ces
équilibres chimiques ont permis la modélisation thermodynamique de l’hydratation
des ciments (section 2.5.).
14 Les réactions de dissolution sont des phénomènes exothermiques qui peuvent être suivis par calorimétrie (figure 4). Schématiquement, dans des conditions standards, l’hydratation d’un ciment Portland comprend quatre périodes (Bullard et al., 2011) :
- d’abord, les réactions initiales (durant les premières minutes). Lorsque les composés du clinker Portland sont mélangés avec de l’eau, un fort dégagement de chaleur a lieu ; il correspond à la dissolution rapide d’une partie du clinker, notamment les sulfates alcalins (Na
2SO
4, K
2SO
4) ;
- ensuite, une phase dormante de près d’une heure (entre 1 à 2 heures après gâchage) durant laquelle le flux de chaleur est faible. Les composés anhydres se dissolvent alors très lentement. Plusieurs théories (formation d’une barrière d’hydrates métastable ou activation lente de la dissolution) tentent d’expliquer ce phénomène. Durant cette période, le ciment n’a pas encore durci, ce qui permet sa mise en œuvre ;
- puis, une période dite d’accélération de près de 9 heures : après la période dormante, les réactions s’accélèrent brutalement et libèrent une forte quantité de chaleur. Cette accélération peut être expliquée par la rupture de la barrière d’hydrates métastables, la nucléation et la croissance de gel amorphe (CSH) ou de la portlandite. Les hydrates formés (CSH et portlandite) recouvrent les granulats, forment un réseau poreux et assurent la cohésion du béton, entraînant un durcissement et une montée en résistance ;
- enfin une période de ralentissement (après 9 heures) au cours de laquelle le flux de chaleur diminue progressivement. L’hydratation est alors contrôlée par diffusion et se poursuit durant plusieurs mois. Le manque d’eau, la formation de la matrice cimentaire et l’épuisement des grains les plus fins expliquent ce ralentissement qui se traduit aussi par une montée en résistance lente.
Comme indiqué sur la figure 4, l’hydratation de l’alite, qui est le composé majoritaire (C
3S ≈ 60 %), débute très tôt. Elle conduit à la formation de portlandite (CH) et de
« gel » de CSH (réaction 1, stœchiométrie approximative de la phase jennite). Les CSH sont des hydrates dont la cristallinité est très faible (composés amorphes) et dont la composition peut fortement varier (rapport Ca/Si, alcalins, aluminium et quantité d’eau). Leur composition est proche de celle de phases cristallisées telles que la jennite (C
9S
6H
11), la tobermorite (C
5S
6H
11) et l’afwillite (C
3S
2H
3).
6 C3S + 20 H C9S6H11 + 9 CH (1)
Silicate de calcium Eau C-S-H Portlandite
La bélite (C
2S ≈ 20 %) réagit plus lentement que l‘alite et conduit également à la formation de CSH et de portlandite mais à plus long terme (réaction 2).
6 C2S + 14 H C9S6H11 + 3 CH (2)
Silicate de calcium Eau C-S-H Portlandite
Remarque : l’ensemble des réactions présentées sont listées dans l’annexe 2.
Durant l’hydratation, de l’ettringite et du monosulfoaluminate (noté AFm sur la
figure 4) se forment également. Ces produits d’hydratation sont formés à partir de
15 l’aluminate tricalcique (C
3A ≈ 5 à 15 %). L’ettringite apparaît durant les premières heures d’hydratation dans les ciments (réaction 3) et lorsque le sulfate de calcium est épuisé, le C
3A forme du monosulfoaluminate (SO
4-AFm, réaction 4). L’impact de la quantité de sulfate est plus amplement discuté dans le paragraphe 1.1.4.
Figure 4. Flux de chaleur (mW/g) typique d'un ciment Portland en fonction du temps en heures (Bullard et al., 2011)
La brownmillerite (≈ 0 à 15 %, C
4AF) s’hydrate (réaction 5) à long terme et forme du monosulfoaluminate (noté ici SO
4-AFm) dans lequel le fer peut se substituer à l’aluminium (SO
4-AFm-Fe). De l’ettringite pourrait également être formée mais le régulateur de prise (sulfate de calcium) n’est pas présent en quantité suffisante pour former cet hydrate à long terme.
Remarque : dans un ciment, les phases SO
4-AFm et SO
4-AFm-Fe ne forment pas des particules distinctes l’une de l’autre mais des solutions solides dans lesquelles les proportions d’aluminium et de fer sont variables (1.3.2.).
Le volume occupé par les hydrates formés au cours de ces 5 réactions est plus faible que celui occupé par leurs composés anhydres respectifs et l’eau (tableau 3). Lors de son hydratation, le ciment Portland présente donc une contraction volumique qui peut être à l’origine d’un retrait chimique. La stabilité dimensionnelle des liants hydrauliques fait l’objet de la section 1.1.6.
C3A
+ 3 C$
+ 32 H
C6A$3H32
Aluminate de calcium Anhydrite Eau Ettringite (3)
2 C3A
+ C6A$3H32
+ 4 H
3 C4A$H12
Aluminate de calcium Ettringite Eau SO4-AFm (4)
C4AF
+ C6A$3H32
+ 2 H
+ 2 CH
2 C4A$H12 + C4F$H12
Brownmillerite Ettringite Eau Portlandite SO4-AFm SO4-AFm-Fe (5)
16
Réactions 1 2 3 4 5
Contraction volumique (cm
3/mol) 32 11 98 16 0
Tableau 3. Contraction volumique pour chaque réaction d’hydratation du ciment Portland (calculée à partir de la masse molaire et de la masse volumique des différents constituants)
1.1.4. Impact du sulfate de calcium
Lors du broyage du clinker Portland, quelques pourcents d’une source de sulfate de calcium sont toujours ajoutés : gypse (C$H
2), anhydrite (C$) ou hemihydrate (C$H
0,5).
Cet ajout est nécessaire afin d’éviter la « prise flash » du ciment Portland. En effet, en l’absence de sulfate, le C
3A réagit directement avec l’eau (réaction 6). Il se forme alors des aluminates de calcium hydratés tels que C
4AH
13(qui est une phase AFm, OH-AFm) et C
2AH
8dont la vitesse de formation est trop rapide pour que la mise en place des bétons soit possible :
Ces composés métastables peuvent par la suite se convertir en katoite (réaction 7) :
L’ajout de sulfate permet la formation d’ettringite (réaction 3). Lorsque le sulfate de calcium est épuisé, le monosulfoaluminate est formée lors de l’hydratation du C
3A restant et du C
4AF (réactions 4 et 5). L’ettringite initialement formée est alors tout ou partiellement convertie en monosulfoaluminate.
L’ettringite peut être stabilisée par l’ajout de quelques pourcents de calcite (CČ) induisant la formation (réaction 8) de monocarboaluminate (C
4AČH
12, CO
2-AFm) et non du monosulfoaluminate (réaction 4) :
Il existe un optimum de gypse pour obtenir les meilleures propriétés de résistance à la compression, de stabilité dimensionnelle et de dégagement de chaleur. Ainsi, la quantité de sulfate doit être ajustée pour chaque clinker : plus un ciment contient d’alcalins, est broyé finement et contient de C
3A, plus il doit contenir de gypse (Lerch, 1946). L’analyse de la chaleur d’hydratation en fonction de la quantité de sulfate de calcium est un moyen de mettre en évidence l’impact de cet ajout dans le ciment.
2 C3A
+ 21 H C2AH8
+ C4AH13
Aluminate de calcium Eau Aluminate de calcium OH-AFm (6)
C4AH13 + C2AH8 2 C3AH6 + 9 H
OH-AFm Aluminate de calcium Katoite Eau (7)
C3A
+ CČ
+ 12 H
C4AČH12 (8)
Aluminate de calcium Calcite Eau CO2-AFm
17 La nature du sulfate (anhydrite, gypse) et sa finesse (vitesse de dissolution) ont également un impact sur la quantité de sulfate de calcium à ajouter. Cette quantité doit donc être optimisée pour chaque usine car une faible variation de teneur peut entraîner des modifications importantes de l’hydratation et des propriétés mécaniques.
Comme expliqué précédemment, plus de la moitié (figure 3) du ciment consommé en Europe contient des ajouts (CEM II) qui ont un impact sur l’hydratation et les propriétés telles que la résistance ou la rhéologie (1.1.5).
1.1.5. Impact des ajouts
L’utilisation d’ajouts peut réduire les résistances car leur addition a un effet de dilution en diminuant la quantité de liant hydraulique. Cependant, dans une certaine mesure, ils peuvent aussi améliorer les performances des ciments grâce à leur granulométrie et/ou leur hydratation (Lawrence et al., 2005 ; Cyr et al., 2006).
La finesse des ajouts permet d’augmenter la surface de contact entre l’eau et les granulats et donc le nombre de sites de nucléation possibles, ce qui peut réduire la durée de la prise. Leur finesse leur permet également d’optimiser l’empilement granulaire. Ces ajouts comblent ainsi les pores les plus fins et diminuent la perméabilité. Les ouvrages sont alors moins sensibles à la pénétration de substances réduisant la durabilité (carbonatation, attaque sulfatique externe, etc.).
Même si le calcaire n’a pas de propriétés pouzzolaniques, il modifie l’hydratation du liant car son ajout provoque la formation de monocarboaluminate de calcium (C
4AČH
11, réaction 8) et d’hemicarboaluminate de calcium (C
4AČ
0,5H
12) (Matschei et al., 2007b ; Péra et al,. 1999 ; Lothenbach et al., 2008). De plus, il a un impact lié à sa qualité de filler (empilement granulaire) modifiant les propriétés mécaniques, la stabilité dimensionnelle et la durabilité (Hawkins et al., 2003). La substitution d’une partie importante du clinker par du calcaire (plus de 20 %) conduit cependant à une perte de performance mécanique (figures 5).
Les ajouts ayant des propriétés pouzzolaniques réduisent également les résistances
à court terme mais peuvent en contrepartie améliorer les performances à long terme
en réagissant avec les ions hydroxydes et calcium libérés par l’hydratation du ciment
Portland. Il est possible d’ajouter des proportions conséquentes (par exemple 35 %)
de cendres volantes sans nécessairement nuire aux résistances à long terme.
18 Figures 5. Effet (Lawrence et al., 2005) du taux de remplacement du ciment par des ajouts (FAC et FAA : cendre volante, Q24 : quartz, L19 : calcaire) sur la résistance en compression à 1 jour (à gauche) et à 180 jours (à droite)
La portlandite formée par l’hydratation du ciment Portland permet d’activer les propriétés liantes de ces ajouts à long terme (comme dans le cas des liants romains). Cependant, ces composés réagissent généralement lentement et nuisent aux résistances à court terme. Les ajouts essentiellement siliceux, tels que la fumée de silice (réaction 9), conduisent à la formation de CSH.
Les autres ajouts pouzzolaniques peuvent également contenir des proportions importantes d’aluminium ou de calcium. Les réactions ayant lieu sont alors complexes et peuvent conduire à la formation de CSH mais aussi de composés alumineux. Les métakaolins (AS
2) sont un exemple de ces matériaux pouzzolaniques. Cet ajout est encore peu utilisé mais la norme EN 206-1 relative aux bétons de structure est en cours de révision pour permettre son incorporation dans les bétons. Les propriétés de ces ajouts sont décrites dans la norme récente (2010) NF P18-513.
Les métakaolins sont obtenus par calcination à près de 800 °C d’une argile : la kaolinite. Le composé ainsi formé est métastable et présente une forte activité pouzzolanique, dont la réaction en présence de chaux (réaction 10) conduit à la formation de CSH, de strätlingite (C
2ASH
8) ou encore de katoite (C
3AH
6) ou de l’hydrogrenat (C
3ASH
x) :
Comme lors de l’hydratation de l’alite ou de la bélite (1.1.3.), ces réactions d’hydratation entraînent une contraction volumique. Ces variations sont une des
2 S + 3 CH
+ 5 H C3S2H8 (9)
Fumée de silice Chaux Eau CSH
4 AS2
+ 20 CH
+ 15 H
C9S6H11 + C3ASH4 + 2 C3AH6 + C2ASH8
(10)
Métakaolin Chaux Eau CSH Hydro-
grenat katoite Strätlingite
19 causes des variations dimensionnelles (1.1.6.) pouvant affecter les performances des liants à base de ciment Portland.
1.1.6. Stabilité dimensionnelle
Lors de la réalisation d’ouvrages du génie civil, la stabilité dimensionnelle est un paramètre essentiel pour garantir la résistance et la durabilité. Un retrait trop important peut entraîner la formation de fissures qui diminuent les résistances et accélèrent la pénétration et la diffusion d’eau, d’alcalins, de chlorures ou encore de gaz carbonique pouvant nuire à la durabilité.
Le contrôle du retrait est donc nécessaire pour la réalisation de constructions résistantes et durables. Ce phénomène de retrait est lié à des paramètres chimiques (composition du clinker, réactions d’hydratation, adjuvants, etc.) ainsi qu’à des paramètres physiques (rapport E/C, température et humidité, conditions de conservation, etc.).
Il existe plusieurs types de retrait (figure 6) : le retrait chimique, le retrait plastique, le retrait endogène, le retrait exogène (séchage) et le retrait thermique.
Figure 6. Les différents retraits (FEBELCEM 2003 ABC du béton durci)
Comme expliqué précédemment (tableau 3), lors de l’hydratation du ciment, le volume des hydrates formés est inférieur à celui des réactifs. Ce changement de volume est appelé « contraction de Le Chatelier » et conduit à un retrait chimique.
L’évaporation de l’eau de gâchage à la surface provoque des tensions pouvant
entraîner des fissures. Ces tensions et ce retrait dit plastique, ont lieu à la surface du
béton encore plastique lors de sa mise en œuvre ou dans les heures qui suivent.
20 Les hydrates forment un réseau de pores très fins et de capillaires, de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, jusqu’à quelques micromètres. Ces espaces sont saturés en eau dans les premières heures.
Lorsque l’eau est consommée par l’hydratation du ciment, les pores et les capillaires sont partiellement asséchés, ce qui induit un retrait dit endogène, d’auto-dessiccation ou d’hydratation.
À plus long terme, l’eau excédentaire qui n’a pas servi à l’hydratation s’évapore si les conditions hydriques le permettent, créant ainsi le retrait dit exogène, de dessiccation ou de séchage.
Dans ces deux derniers cas, l’assèchement des pores conduit à la formation de ménisques à l’origine de tensions au sein des capillaires, conduisant aux retraits évoqués précédemment.
Les réactions d’hydratation dans les ciments étant exothermiques, la température des bétons au centre de pièces massives est supérieure à la température ambiante.
La différence de température entre la surface et le centre du matériau crée des tensions à l’origine du retrait thermique. Des fissures peuvent être observées lors de la contraction du béton durant son refroidissement, surtout dans le cas d’une pièce très massive.
1.1.7. Bilan
Plus d’un siècle de recherche a permis le développement d’un liant hydraulique utilisé sur tous les continents pour la réalisation d’ouvrages du génie civil, allant de la maison individuelle aux ouvrages d’art soumis à de très fortes contraintes.
Plusieurs milliards de tonnes de ciment sont utilisées annuellement et sa production
dans le monde est responsable de près de 5 % des émissions de dioxyde de
carbone CO
2(Juenger et al., 2011). Or, la concentration de ce gaz à effet de serre
dans l’atmosphère, participant au réchauffement climatique, a augmenté de 15 %
entre 1960 et 2000 (figure 7).
21 Figure 7. Concentration, en ppm, du dioxyde de carbone dans l'atmosphère de 1750 à 2000 (Shi et al., 2011)
Le recours à des déchets comme combustibles, l’amélioration des techniques de broyage, l’amélioration des procédés (voie sèche), l’ajout de matériaux pouzzolaniques au clinker (laitiers, cendres volantes) ont permis de diminuer sensiblement les émissions de CO
2liées à la production du ciment mais ces émissions restent cependant élevées.
Afin de diminuer davantage l’impact de la fabrication du ciment, le recours à un
clinker moins générateur de CO
2,tel que le ciment sulfoalumineux, constitue par
ailleurs une nouvelle alternative prometteuse (1.2.).
22 1.2. Le ciment sulfoalumineux
Le ciment sulfoalumineux est comparé au ciment Portland au moyen d’un historique (1.2.1.), de la description de sa production (1.2.2.) et de son hydratation (1.2.3.).
L’hydratation des mélanges de ciments sulfoalumineux et Portland (1.2.4.), objet de la thèse, est ensuite détaillé. Comme pour un ciment Portland, la nature et la quantité de sulfate de calcium (1.2.5.), le rapport E/C (1.2.6.) ainsi que les ajouts (1.2.7.) ont un impact fondamental sur l’hydratation et les propriétés des ciments sulfoalumineux et de leur mélange. Contrairement au ciment Portland connu pour subir un retrait important, le ciment sulfoalumineux est le siège de mécanismes réactionnels induisant plutôt une expansion (1.2.8.).
1.2.1. Historique
L’apparition de composés sulfoalumineux est liée à la volonté de compenser le retrait du ciment Portland, apparue dès le début du vingtième siècle. Le premier brevet déposé fut celui de l’entreprise Poliet et Chausson, en 1936, à Paris. Dès 1944, Henry Lossier a publié plusieurs articles sur le sujet (Lossier, 1946).
Les additifs synthétisés par M. Lossier permettent de compenser le retrait du ciment Portland. Ils contiennent principalement de l’anhydrite et un aluminate de calcium (C
5A
3) conduisant à la formation d’ettringite (Lafuma, 1954).
À la suite de ces travaux, Klein et Troxell ont réalisé des synthèses d’additifs expansifs par divers modes de cuisson et à partir de plusieurs sources de calcium, d’aluminium et de soufre (Klein et Troxell, 1958). Ils ont utilisé ces additifs pour compenser le retrait du ciment Portland. Ces nouveaux additifs, sulfoalumineux, n’ont pas pu être identifiées à l’époque de la publication. La composition chimique du composé principal (Fukuda, 1961) ainsi que sa structure (Halstead et Moore, 1962) ont été déterminées par la suite. Ce constituant a été nommé « composé de Klein » ou ye’elimite (C
4A
3$). Dès les premiers articles concernant les additifs expansifs (Klein et Troxell, 1958), l’importance de la chaux sur les propriétés expansives a été démontrée.
Plus d’un siècle après l’apparition du ciment Portland, au début des années 1960 (Klein, 1966), les premiers brevets sur la production de ciments à retrait compensé (basée sur l’utilisation de la ye’elimite) ont été déposés.
À partir des années 1960-1970, un grand nombre de travaux concernant l’hydratation
des liants utilisant du ciment sulfoalumineux comme additif expansif, compensant le
retrait du ciment Portland, ont été publiés. Durant ces années, la ye’elimite a
principalement été utilisée aux Etats-Unis pour compenser le retrait du ciment
Portland. Ces ciments, dit « de type K », sont des mélanges qui contiennent
majoritairement du ciment Portland (environ 80 %) et un composé expansif issu d’un
23 mélange de ye’elimite, d’anhydrite et de chaux (Folliard et al., 1994). Un article de 1964 (« Expansive Cement Opens Era of New Concretes », 1964) relate même un exemple d’utilisation de ces ciments pour la réalisation de toitures en béton, sans joint (figure 8).
Figure 8. Utilisation en 1964 de ciment de type K
3Un autre article de 1970 (Day, 1970) vante les mérites de ce même ciment expansif : ChemComp (figures 9). Le béton expansif induit une expansion de près de 300 µm/m (0,03 %), alors qu’un béton classique présente un retrait de 700 µm/m (0,07 %).
Figures 9. Images de l'article présentant le ciment ChemComp
43 Traduction Traduction de la légende : travailleur terminant le toit de la banque de la ville de Yuba en Californie, la première application du ciment expansif ChemComp
4 Traduction figure de gauche : dans le sac sur la droite, ciment expansif à la prise, empêchant les fissures de retrait typiques avec un ciment Portland de type II (sac à gauche) et de la figure de droite : shrink-comp a une expansion à la prise puis un retrait. L’expansion réduit le retrait et prévient la fissuration.
